航天电子产品环境应力筛选

航天电子产品环境应力筛选

摘要：环境应力筛选已经广泛地应用于航天电子产品的研制、生产和使用阶段。对提高航天电子产品的可靠性有重要的作用。本文探讨了环境应力筛选的典型应力和注意的一些问题，论述了筛选中暴露的典型缺陷。
关键词：航天电子产品；环境应力筛选；可靠性；温度循环；随机振动

Abstract：Environmental stress screen has been widely used in the development, manufacture and usage of aerospace electronic product and it plays important role in the improvement of reliability of aerospace electronic product. The typical stress and some precautions in ESS are discussed in this paper. The typical defects found in screening test are expounded.
Keywords: aerospace electronic product; Environmental stress screen; reliability; temperature circulation; random vibration

1 概述
环境应力筛选（Environment stress screening）是一个使用于研制和生产各个阶段，为发现和排除不良零件、元器件、工艺缺陷和防止出现早期失效，在环境应力下所做的一系列试验，其目的是在产品出产前，有意把环境应力施加到产品上，使产品的潜在缺陷加速发展成为早期故障，并加以排除，是剔除产品缺陷和提高产品使用可靠性的一种有效工艺手段。

2 环境应力筛选
环境应力筛选可以使用各种环境应力，但应力的选择原则是能激发故障，而不是模拟使用环境。由于各种应力的筛选效果差异很大，一般情况下，若使用方没有特殊的要求，环境应力筛选主要使用温度循环和随机振动2种应力。
2.1 温度循环
温度循环是环境应力筛选中最有的筛选应力之一，其试验主要选择的参数是试验温度范围、温度变化速率、高低温保持时间和循环次数。这几个参数的组合是否适当，直接影响到筛选效果，因此针对不同产品的具体情况，如何选择每种参数，再进行组合是一项十分关键的工作。
⑴ 温度范围
温度范围表明了产品在每一个循环中经受的热应力/应变，它由高、低温极值决定，选择温度极值的关键是给产品施加适当应力以析出缺陷而不损坏好的产品。不同的电子产品根据不同使用要求和环境要求，其所用的元器件类型和等级不同，采用的安装工艺也不同，所以要暴露其潜在缺陷所需的极值温度也不同，应针对产品的特点选择合理的高低温试验范围。通常情况下，根据电子产品中各元器件的工作温度来确定筛选所用的温度范围的：:选取所有元器件高温工作极限中的最低温度作为温度筛选的上限温度；所有元器件低温工作极限中的最高温度作为温度筛选的下限温度。只有这样才不至于因温度范围选择不当而造成不必要的器件或部件的损伤。在实践中，使用的温度范围基本上在90 -180℃之间，选取的最小温度变化范围是：组件125℃(通常低温-55℃，高温75℃)，单元110℃(通常低温-40℃，高温70℃)，系统100 ℃(通常低温-40℃，高温60 ℃)。在上述确定方法的基础上，根据产品的设计能力，选取的温度变化范围尽可能大，以提高筛选效率。
⑵ 温度变化速率
温度变化速率通常指的是筛选箱内空气温度变化的平均速率。升、降温速率的快慢直接影响到热应力的强度。如果升、降温速率变化过慢，热应力作用得慢，对一些潜在缺陷不足以发展成故障，所以达不到剔除潜在缺陷之目的；但是升、降温速率过快，如以15 ℃/min或20℃/min的速率变化，那么热应力强度是增大了，但这势必会由于热力学应力作用过大而损伤质量好的器件。
提高温度变化速率可加强产品的热胀冷缩程度并缩短这一过程的时间，加剧热应力和应变，因此较高的温度变化速率可以提供更有效的筛选。由于受产品本身的热容量和热惯性的影响，产生在产品上的温度响应并不都与筛选箱内的温度变化速率同步，热容量大的产品往往出现明显的温度变化滞后，尤其是受筛产品质量大、温度变化速率太高、筛选箱风速慢的条件下，这种温度变化滞后更明显，从而达不到预期的筛选效果。
对只有少量器件且内部不灌注介质，外部又敞开的产品来说，升、降温速率对受试产品基本一致，不存在缓冲的问题。有些产品结构并不复杂，但组成产品的组件状态较复杂(如产品外部密封较好，产品内部又采取各种灌注材料，形成一个复杂的实体)，这样的产品升、降温速率的变化对其产品内部的受试器件影响减小，很可能产品外部温度变化很快，但传递到产品内部就没有那么快。所以说，不同的产品之间存在一定的差别，这种差别与壳体的厚度、密封性及内部器件的密集程度、灌注材料有关。
温度变化速率的选择取决于受筛产品的特性，同时还应考虑筛选设备能力。根据美国多年的筛选经验，印制板组件组装级的筛选温度变化速率常采用15～20℃/min，单元级的常采用10～20℃/min，设备和系统级的常采用10～15℃/min。目前国外的高加速应力筛选采用的温变率已达到了60℃/min，但国内现有的试验设备能力几乎都达不到。研究表明，当风速小于4m/s时，温变率大于15℃/min，受试样品内部的温度变化就很难跟得上箱温的变化了。国内现有的温度试验箱的风速一般在1.5 m/s、温变率最大为10℃/min。根据产品的实际情况和现有的试验设备的能力，选取尽可能大的温变率，以增大筛选强度。
筛选箱的风速是影响受筛产品温度响应的重要因素。大的风速加快了筛选箱内空气温度的对流速度，保证了受筛产品各组件与筛选箱内空气温度有良好的热变换，提高了筛选效率。为改善受筛产品的温度响应，可以在组件密度高或热容量大的部位安装风扇之类的空气循环系统，提高这些部位的温度变化速率。美国休斯飞机公司最近的经验表明，对印制板组件组装级筛选时，为使硬件温度紧跟筛选箱中空气温度变化，组件处的空气速度必须至少为4.75 m/s。对于风速小于5 m/s的筛选箱，由于受筛产品各组件与筛选箱内空气的热交换较缓慢，筛选时不宜采用超过15℃/min的温度变化速率，过高的温度变化速率反而会使产品的温度响应变差，降低了筛选效果。
为寻找最佳的温度变化速率，要求对受筛产品进行温度调查，尤其对产品的关键部位，依据产生在产品上的温度响应结果并结合筛选设备能力进行确定。
⑶ 循环次数
产品在经受温度循环时，温度的变化使产品内部产生热应力和应变，当产品内部存在缺陷时.这种热应力和应变容易在这些缺陷部位集中，激发它们最终诱发成故障，而温度循环次数的增加则能累积这种激发效应。循环次数影响筛选的有效性和持续时间，从而影响筛选费用。循环次数越多，筛选越彻底。温度循环次数的选取与受筛产品的结构复杂程度、设计和工艺成熟度密切相关。结构简单的产品，温度循环次数可适当少些；产品结构越复杂，所需的温度循环次数也就越多。用于筛选的产品，一方面希望产品内部潜在缺陷尽可能析出，另一方面又不至于过分消耗产品的有效寿命。对印制板组件来说，一般选择为20～40个温度循环，而对单元和系统来说，常选择为12～20个温度循环。
⑷ 高、低温保持时间
高、低温保持时间由两部分组成：元器件温度达到稳定所需的时间和在温度极值下硬件浸泡的时间。对于前者，通常有两种稳定准则：一种是当产品内响应最慢的元件的温度与极值温度之差在极值温度的15%以内时，就认为达到了温度稳定。另一种是在受筛产品的典型部位安装温度传感器进行温度调查，当温度传感器指示值在极值温度的土2℃时，才认为达到温度稳定。为了缩短温度稳定时间，可采用风速大的筛选箱来筛选，在不影响产品结构强度和各级组件固定连接方式的情况下，尽可能去除机柜盖子，加快产品部件周围的空气对流速度。对于后者，即浸泡时间，其目的有2个：保证钎料发生蠕变，这段时间一般为5 min；完成功能测试，时间常常大于5 min。因此，对于不需要监测的产品，浸泡时间为5 min，对于需要监测的产品，浸泡时间则延长至完成功能测试所需要的时间（≥5 min）。由于保持时间是决定效费比的主要因素，为达到一个合理的效费比，对受筛产品进行温度调查是十分必要的。
加电监测是寻找间歇故障的有效方法。单元或系统级产品在筛选过程中通常要求加电监测，但对印刷线路组件(PWA )，由于它们在工作环境中不能作为独立产品使用，同时通常也不具备功能检测的条件，一般不加电监测。考虑到加电使产品产热从而影响温度变化速率，加电监测时机宜选在两个极值温度保持阶段和升温阶段。在温度循环筛选过程中，增加性能侧试次数可及时发现故障并加以修复，节省筛选时间，提高筛选效果。

2.2 随机振动
随机振动是在宽频率范围上对产品施加振动，产品上所有谐振频率在整个振动时间内同时受到激励，因而能快速析出潜在的缺陷。振动筛选的核心是谱形和总量值。因此，确定谱形和总量值是确定振动筛选方案的关键。
⑴ 振动谱型和量值
一个充分筛选的振动频谱应当是宽带的，频率范围常为20～2000 Hz，必要时可依据产品情况，将频率范围缩小到100～1000 Hz，以保证受筛产品所有谐振频率在整个振动时间内同时受到激励。常规筛选振动量值一般为0.04g2/Hz，加速度均方根值( Grms)为6.06g。由于产品中缺陷的析出取决于缺陷处的振动响应，而不是取决于振动输人，因此为了能将产品中的缺陷很好地析出，而又不使敏感的和关键的元器件以及好的元器件损坏，必须先对产品尤其对振动响应不清楚的产品进行振动调查，摸清产品对振动输人的响应特性，包括共振频率、优势频率和各组件对振动输人的响应情况，再根据产品的振动响应特性来确定振动量值，以保证振动输人的量值大小既能激发缺陷又不损坏产品，从而达到理想的筛选效果。根据经验，元件级、组件级筛选量值通常取0.04～0.045g2/Hz，而整机产品或含有不耐振部件的产品筛选量值一般低于0.04g2/Hz（通常取0.02～0.04g2/Hz)，但具位量值需经过振动调查来确定。
⑵ 振动轴向和振动时间
随机振动原则上应在3个轴向进行。但由于产品的结构特点及复杂程度、内部部件布局以及产品对不同轴向振动的响应程度不同，振动轴向可以是1个轴向也可以是2个或3个轴向。一般情况下只选取单一轴向振动即可有效地完成筛选，但这一轴向应是最敏感的轴向，析出的缺陷应远大于其它2个轴向，具体振动轴向需要通过对3个互相垂直轴向进行振动调查，确定产品关键部位的响应，找出最敏感的轴向，必要时，可以增加振动轴向以使筛选更充分。
振动时间一般为每轴向5～10 min，累计不超过20 min。实践经验表明，只要振动量值合适，10 min的振动足以析出大多数缺陷。延长振动时间无益于筛选，反而引起疲劳积累损伤，过多地消耗产品的有效寿命。
1.3 筛选度
筛选度是指在产品中存在对某筛选应力敏感的潜在缺陷时，此缺陷以故障形式显现的概率。通常采用常规筛选典型应力温度循环及随机振动条件下的筛选度计算方法。
⑴ 温度循环的筛选度计算公式为： ⑴
式中：—表示筛选度；—表示温度范围；—表示温度变化速率；—表示循环次数。
温度循环的故障率计算方法为： ⑵
式中：—表示故障率，单位为次/每循环；—表示筛选度；—表示循环次数。
⑵ 随机振动的筛选度计算公式为： ⑶
式中：—表示筛选度；—表示加速度均方根值；t—表示振动时间。
随机振动的故障率计算方法为： ⑷
式中：—表示故障率，单位为次/小时；—表示筛选度；t—表示时间，单位为小时。#p#副标题#e#

3 环境应力筛选激发的故障模式
ESS作为一种重要的工艺过程试验，所暴露的缺陷具有明显的工艺特性。ESS发现的缺陷大致可以分为工艺缺陷、元器件缺陷和设计缺陷3类。
工艺缺陷主要是工艺不当造成的，常见的如虚焊、松脱、断裂、开路、短路等；元器件缺陷主要是元器件本身质量低劣或元器件老练筛选不彻底造成的；设计缺陷主要是设计不合理造成的。表1列出了常见的一些典型缺陷及这些缺陷的激活应力。
表1 ESS发现的典型缺陷

ESS作为一种重要的工艺过程试验，所暴露的缺陷具有明显的工艺特性。ESS发现的缺陷大致可以分为工艺缺陷、元器件缺陷和设计缺陷3类。工艺缺陷主要是工艺不当造成的，常见的如虚焊、松脱、断裂、开路、短路等；元器件缺陷主要是元器件本身质量低劣或元器件老练筛选不彻底造成的；设计缺陷主要是设计不合理造成的。表1列出了常见的一些典型缺陷及这些缺陷的激活应力。表1 ESS发现的典型缺陷

  4 EES的认识误区
在GJB 1032中将环境应力筛选称为环境应力筛选试验，给人一种错觉就是应力筛选与其他环境试验一样，是一种以产品通过为目的的试验。事实上，ESS是一种应用于工程研制和制造过程中的质量检验工艺，其在试验过程中希望多出故障并加以排除，所以应力筛选不同于试验。因此有必要明确ESS是为提高产品的可靠性而做的环境应力激发试验(工序)，而不是环境模拟试验。环境应力筛选激发试验（ESS）与环境适应性鉴定试验（EQT）的比较见表2。表2 ESS与EQT比较

  5 EES注意问题

尽管ESS已广泛地应用在电子产品的研制、生产和使用的各个阶段，但在实际应用时，必须注意以下几个问题: ⑴ ESS一般只用于揭示并排除早期故障，使产品的可靠性接近设计的固有可靠性水平，它只是可靠性增长、可靠性鉴定和可靠性验收试验的预处理，而不能替代可靠性鉴定试验和可靠性验收试验。 ⑵ 对电子产品而言，半导体元器件的失效规律与浴盆曲线有所不同。半导体元件的失效率在偶然失效期是随时间缓慢下降的，可近似为常数，并且在相当长的试验过程中没有明显的耗损失效期。因此，不必担心筛选试验会将半导体元件推向耗损期而降低其使用寿命。所以采用强应力筛选不仅节省筛选时间，同时还能提高产品的可靠性和稳定性，但一般不应超过极限应力。 ⑶ ESS是一种工艺性试验。对准备交付验收的批生产产品应100%地进行ESS。研制产品进行ESS，能提高产品的固有可靠性;对批生产的产品进行ESS，能提高使用可靠性。但筛选的目的是剔除早期故障，因此，不必准确地模拟产品真实的环境条件，它可以提高批产品的可靠性水平，但不能提高产品的固有可靠性。 ⑷ 在环境应力类型、水平、施加时间等项目的确定上，应能使产品激发出潜在的设计和制造缺陷，可以迅速、经济地暴露隐患和缺陷，同时，不应使正常的产品失效，也不会使产品留下残余应力或严重影响使用寿命。

6 结束语

   ESS属于工程试验，是可靠性试验的一种，在提高带脑子产品的可靠性方而已得到了广泛的应用。但目前对筛选方法好坏的评价方而，我们只有筛选淘汰率、筛选效率和筛选效果系数这3个指标；在试验方法的选取上，一般选用典型的筛选应力和GJB 1032所推荐的方法。随着产品材料和技术水平的发展，在筛选应力和试验方法的选择上，应不断地研究和创新，使ESS能更有效地提高产品的可靠性。

   参考文献
1 李新星  电子产品环境应力筛选方法及其应用[J].电子产品可靠性与环境试验 1998.5
2 GJB 1032-90 电子产品环境应力筛选方法[S]
3 张露 环境应力筛选技术及其应用问题分析[J].装备环境工程 2006.8
4陈丹明 环境应力筛选（ESS）应力参数的确定极其考虑因素[J].2006.2
5 杨方燕 电子产品中的环境应力筛选研究[J]. 电子产品可靠性与环境试验 2006.8
6 白康明 机械电子设备环境应力筛选[J].航空制造技术 2005.10